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地铁牵引整流变压器系统参数设计研究


第 48 卷 第 10 期 2011 年 10 月

TRANSFORMER

Vol.48 October

No.10 2011

地铁牵引整流变压器系统参数设计研究
王恬平 1,金 辉 2,曾庆赣 1 ,汪 莹 1,马肇维 1
(1.江苏华鹏变压器有限公司,江苏 溧阳 213

300;

2.广州地铁总公司建设事业总部,广东 广州 510380)
摘要: 利用谐波损耗和热点温度计算方法,研究了地铁牵引整流变压器绕组温升和额定容量的工程设计计算。 关键词:牵引整流变压器;温升;计算 中图分类号:TM422 文献标识码:B 文章编号:1001-8425(2011)10-0005-04

Parameter Design and Research of Traction Rectifier Transformer of Underground
WANG Tian-ping1, JIN Hui2, ZENG Qing-gan1, WANG Ying1, MA Zhao-wei1
(1.Jiangsu Huapeng Transformer Co.,Ltd., Liyang 213300, China; 2.Guangzhou Underground Company, Guangzhou 510380, China )

Abstract :Based on harmonic loss and hot-spot temperature calculation methods, the engineering design and calculation of winding temperature rise and rated power of traction rectifier transformer of underground are researched. Key words :Traction rectifier transformer ; Temperature rise ; Calculation

1 引言
近年来,城市轨道交通(地铁)以其快捷、安全及 环保的优势,在我国获得了广泛的发展。 而作为轨 道交通车辆牵引直流电源的关键设备—— —整流变压 器,其工作方式、谐波损耗、过负载能力、绕组温升和 额定容量等工程设计参数的选取,引起人们极大关 注。 本文中介绍了针对这些工程设计难点所做的研 究工作。
D1 T1

AC 35kV

T2

D2

DC 1 500V

2 供电方式与容量选取
2.1
双路供电 为地铁全线提供能源的为 35kV 或 10kV 电网, 车辆牵引电源为 1 500V 直流。 为了保证供电的可靠 性, 每个直流供电站均采用 T1-D1 和 T2-D2 组成 的双路降压整流机组供电,如图 1 所示。 双路供电 整流方式可采取等效 24 脉波整流或 12 脉波整流。 正常运行时,每个直流供电站由两路整流机组 供电;一路整流机组故障时,目前有两种运行模式: (1)另一路整流机组及相邻两站共同提供所需

图1

交流与直流供电方式

Fig.1

Power supply modes of AC and DC

负载,即 5 组承担原 6 组的负载。 (2)故 障 供 电 站 停 运 ,由 相 邻 两 站 提 供 所 需 负 载,即 2 站带 3 站的负载。

2.2

变压器容量 整流机组故障时两种不同的运行模式, 有两种

不同的变压器容量选取方法: (1)变压器容量为直流额定负载的五分之六(120%)。 一台整流机组退出时,可保证直流安全供电,变压器 正常时间的负载率为 83.3%。

6

第 48 卷

(2)变压器容量为直流额定负载的二分之三(150%)。 一个直流电站退出时,可保证直流安全供电,变压器 正常时间的负载率为 66.7%。 每台变压器的额定容量 Sn, 与其所处区间的直 流负载有关。 出于可靠性考虑,减少可靠性环节,地 铁牵引整流变压器均为不带风机的额定容量。
I2 I1

3 谐波损耗计算
3.1
谐波概念 谐波电流—接在电网上的谐波源 (用电设备), 在从电网上吸收有功电流和无功电流的同时, 也向 电网注入谐波电流 Ih,如图 2 所示。 式中
供电变压器

图3

双绕组变压器

Fig.3

Transformer with double windings

谐波损耗仅为谐波电流在绕组中产生的负载涡流损 耗。 基波电流(工频正弦电流)时的负载损耗如下: (3 ) P1=I12R+PW1 —— P1—基波电流 I1 下负载损耗,W —— I1—基波电流,A —— R—绕组直流电阻,Ω —— PW1—基波电流 I1 下绕组涡流损耗,W 考虑谐波电流时,负载损耗为: 式中 (4 ) PN=ILN2R+FWPW1 —— PN—电流 ILN 下的负载总损耗,W —— ILN—额 定 变 流 负 载 下 的 绕 组 电 流 方 均 根 值,A —— FW—绕组谐波涡流损耗增加系数
n

Uh 电网电压 Ih 谐波电流
谐波源

图2

电网谐波

Fig.2

Harmonic wave of grid

注入谐波电流的大小为:
n

其中: FW=Σ( Ih )2h2
h=1

THDi=
式中

姨Σ
h=2

I1

(5 )

Ih2 ×100%
(1 )

I1

4 过负载能力计算
4.1
六类负载 根据 IEC60146 ,将地铁牵引变压器负载类别分 为六类,其中第 六 类 (Duty Class Ⅵ )负 载 图 如 表 1 所示。 由表 1 可绘出 0~3min (180s )时间的负载图,如 图 4 所示。

—— THDi—总电流谐波因数 —— Ih—第 h 次电流的方均根值,A —— I1—基波电流的方均根值,A —— h—谐波次数 —— n—所含最高次谐波的次数 谐波电压—— —由谐波电流通过电网谐波阻抗时

产生的谐波电压降 Uh,表示谐波电压大小的关系式 如下:
n

Id(p.u.)

THDu=
式中



ΣU
h=2

2 h

3.0

U1

×100%

(2 )

—— THDu—总电压谐波因数 —— Uh—第 h 次电压的方均根值,V —— U1—基波电压的方均根值,V 变压器谐波损耗 对 一 台 双 绕 组 变 压 器 T (见 图 3),当 接 整 流 负

1.8 1.2

3.2

0

60

150 180
时间 /s

240

载时,其一次侧电流(I1)和二次电流(I2)均包含各种 谐波电流分量。 按照 IEC61378 , 在假定输入电压为正弦波时,
图4 六类负载(0~3min )

Fig.4

Six classes of load

第 10 期

王恬平、 辉、 金 曾庆赣等: 地铁牵引整流变压器系统参数设计研究
表1 六类负载

7

Table 1
类别 条件

Six classes of load
负载—— —周期

时间 /h

Id(p.u.) 1.2 0.8 1.2 0.7

t/min 3 6 3 20

0~2 1.5Id (90s) 2.5Id (60s) Ⅵ
重载条件

2~10 10~12 12~24

0

t

Id

时间

由表 1 和图 4 可以看出, 六类负载含四个时区

5.1

增大容量、降低温升法 一台额定容量为 Sn 常规(正弦电压、电流)变压

(0~2h、2h~10h、10h~12h、12h~24h), 相应负载周期 t (3min 、6min、3min、20min) ,负载值和时间与通常所说 (300%Id/1min 、150%Id/2h、100%Id/连续 ) 并不完全 相
同。

器,在额定正弦负载条件下 ,其 绕 组 平 均 温 升 θW≤

100K;若环境温度为 20℃ ,其工作热 寿 命 就 为 额 定 热寿命(如 30 年)。
对牵引整流变压器,谐波电流和过负载运行,均 会增大绕组损耗和最热点温升, 从而增大绝缘寿命 消耗 L。 如何保证牵引整流变压器在谐波与过负载 条件下安全运行,在工程上有如下两种方法: (1)增大容量法。 考虑谐波电流和过负载,将变 压 器 额 定 容 量 Sn 增 大 ( 正 弦 电 压 电 流 条 件 下 ,绕 组 平均温升为 100K ),此时变压器的额定容量 Sn 比额 定工作容量 Sn′( 对应额定直流负载)为大。 (2)降低温升法。额定容量(对应额定直流负载)

4.2

绝缘热寿命 变压器(绕组)绝缘的额定热寿命,按照文献 [4]

和 文 献 [5] 并 以 F 级 绝 缘 为 例 , 是 指 在 环 境 温 度

20℃ 、额定热点温度(θc=145℃ )时,变压器绝缘安全 工作年限(30 年)。 对 F 级绝缘,有寿命消耗加倍 10℃ (θd=10℃ )法 则,即热点温度每升高(降低)10℃ ,绝缘热寿命就相
应减少(增加)一倍。 例如,在环境温度 20℃时,若最 高热点温度 θh=155℃ ,变压器绝缘热寿命就减为 15 年。 文 献 [4] 和 文 献 [5] 给 出 了 计 算 绝 缘 热 寿 命 消 耗 的公式如下: (6 ) l(t)=2 =e 式中 l(t)—t 时 刻 寿 命 相 对 消 耗 倍 数 (相 对 于 额 —— 定热寿命) —— θh(t)—绝缘最热点温度 ,℃ —— θc—绝缘额定热点温度,℃ —— θd—寿命消耗加倍温度,℃ 在某一时间区域 [T1,T2] 内,实际寿命消耗为:
T2 T2 θh (t)-θc θd θ (t)-θc ln2 h θd

Sn 的变压器, 将绕组平均温升降为 θW′( 正弦电压电
流条件下),且有 θW′<100K (额定绕组平均温升)。 两种方法均保证在谐波电流和过负载作用下, 由最热点温度 θh (t )决定的总寿命消耗 L 小于等于 额定热寿命值(如 30 年)。 由于降低温升法中,变压 器的额定容量 Sn 和有关参数对应于整流系统 的 额 定工作点,对系统设计有利,因此在牵引整流变压器 中普遍采用。

5.2

谐波电流降低温升 对三相六脉波整流, 其绕组电流谐波系数如表

2 所示。
表2 绕组电流谐波系数

L=
式中

T1

乙l(t)dt= 乙e
T1

ln2

θh (t)-θc θd

dt

(7 )
h

Table 2 Harmonic wave efficiency of winding current
1 100 5 19.9 7 14.2 11 8.9 13 7.4 17 5.5 19 4.9 23 3.9 25 3.5

—— L—寿命消耗,h 由式(7)可知,变压器总寿命消耗 L 是各 时刻 t 下的寿命消耗之积分,随着绝缘最热点

Ih/%

温度 θh(t) 的增大(减少)而增大(减少)。 保证变压器 的安全运行的因素之一,就是在运行年限内,使总寿 命消耗 L 小于等于额定热寿命。

绕组谐波涡流损耗增加系数为:

FW=Σ( Ih )2h2=7.173 I1 h=1
整流变压器为例,每相基波电流下负载损耗为:

25

(8 )

以 2 500kVA 上、下双分裂四绕组 12 脉波牵引

5 绕组平均温升

8

第 48 卷

P1=I12R+PW1=16 108+456=16 564W

(9 )

为:

对于上下双分裂四绕组变压器,如图 5 所示,每 相两个轴向分裂高压绕组 H 相互并联,另两个为轴 向分裂的低压绕组 L1 和 L2,工程上认为上、下轴向 双分裂四绕组变压器一、 二次绕组具有相同的电流 波形, 12 脉波整流变压器绕组电流谐波同表 2;故

△θW′=△θW1+△θWO
降低的绕组平均温升为:

(11)

12 脉波 2 500kVA 整流变压器谐波电流下负载损耗
为:

(12) θW′=θWr-△θW′=θWr-△θW1-△θWO 式中 θWr—额定绕组平均温升,K —— —— △θW1—谐波电流的绕组平均温升降低,K —— △θWO—过负载的绕组平均温升降低,K 以 2 500kVA 牵引整流变压器为例, 降低的绕 组平均温升为:

PN=ILN2R+FWPW1=16 108+7.173×456=19 379W (10)

θW′=100-8-7=85K
在正 弦 电 压 电 流 条 件 下 , 牵 引 整 流 变 压 器 为

2 500kVA 容 量 时 , 其 绕 组 平 均 温 升 应 小 于 等 于 85K。 实际工作状况(谐波 + 过负载)时,安全热运行
H L1

时间可大于额定热寿命(或总热寿命消耗 L 小于额 定热寿命)。
铁心

6 结论
(1)牵引整流变压器绕组中的电流谐波及过负 载运行,将增加绕组热点温升,影响绕组热寿命。 (2)在依据系统额定工作条件,选择变压器额定 参数(电压、电流及容量)后,可通过降低绕组平均温

H

L2

图5

上下双分裂四绕组变压器线圈布置

升来保证其安全运行寿命。 (3)谐波电流大小、负载类别、环境温度及绕组 结构等因素都将影响降低的绕组平均温升值。 (4)在文中假定条 件 下 ,2 500kVA 牵 引 整 流 变 压器降低的绕组平均温升为 85K 。 参考文献:
[1] [2] [3] [4] [5] GB/T17211-1998 ,干式电力变压器负载导则 [S]. GB10236-1988 , 半 导 体 电 力 变 流 器 与 电 网 互 相 干 扰 及
其防护方法导则 [S].

Fig.5 Coil distribution of transformer with four upper and lower double-split windings

在实际工况 PN 负载损耗时,保证绕组平均温升

θWN≤100K 前提下, 可计算出基波负载损耗 P1 时绕
组平均温升 θW1=92K ,温升降低 △θW1=8K 。

5.3

过负载降低温升 过负载降低温升的两个约束条件为: (1)保证任一时刻绕组的热点温度 θh(t)≤190℃

(F 级绝缘)。 (2)绕组热寿命总消耗 L 小于等于额定热寿命 值。 以表 1 六类 负 载 为 例 在 假 定 : ①环 境 温 度 为

IEC61378 -1997 , Convert Transformers -Part I: Trans formers for Industrial Application[S]. IEC60146-1991 ,Semiconductor Converters[S]. IEC905-1987 , Loading Guide for Dry-type Power Transformers[S].

20℃条件下;②变压器负载率为 66.7%前提下。
以 2 500kVA 整流变压器为例,用迭代求解法, 假定不同的绕组平均温升为 θwi,用计算机求出相应 负载类别和环境温度下绕组热点温度 θhi(t ),然后求 出相对热寿命消耗 li(t) 和总热寿命消耗 Li,Li 小于且 最接近额定热寿命时的绕组平均温升 θwi,即为过负 载条件下降低的绕组平均温升—— θWO=93K ,温升降 — 低△θWO=7K 。

作者简介: 王 恬 平 (1974- ),男 ,江 苏 溧 阳 人 ,江 苏 华鹏变压器有限公司工程师, 从事变 压器设计工作。

5.4

绕组平均温升 同时考虑谐波电流和过负载, 绕组温升降低值
收稿日期:2011-05-26


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